一直以來有一個問題困擾著大家，宇宙的年齡據(jù)說是138.2億年，姑且我們信之！但又有說可觀測宇宙的半徑高達465億光年，事實上這個問題并不簡單，我們需要對各個方面分解出來理解。

宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)

在可觀測宇宙的話題中，首當其沖的問題就是宇宙膨脹是怎么發(fā)現(xiàn)的，我們必須簡單交代下這個問題：

• 宇宙大小和年齡的猜測

首先對宇宙大小作出猜測的布魯諾，他認為宇宙是無限的，為什么說他是猜測呢，因為是他認為，而他沒有任何證據(jù)。

然后牛頓則以萬有引力的角度科學的分析了宇宙是無限的，他分析的理由基于：如果宇宙是一個有限的空間，那么星星之間的相互引力會將宇宙縮小的一個很小的區(qū)域，因此牛頓認為宇宙是無限的。

后來一位叫做奧伯斯的科學家認為宇宙肯定有一個起始點，因為龐大的宇宙加上無數(shù)的星星，如果宇宙存在無限久時間，那么這些無限的光線到達地球，會將地球夜間也變成白晝，但地球仍然存在晚上，所以宇宙必定有一個時間開端。

• 宇宙大小和年齡的實質(zhì)性進展

愛因斯坦在1905年以光速不變和下一相對性原理為基礎(chǔ)總結(jié)了麥克斯韋和洛侖茲以及龐加萊等前人的成就，推出了狹義相對論，當然還有未來能解釋物質(zhì)來源的質(zhì)能等價方程。

在1916年愛因斯坦將狹義相對論推廣到了任意速度下，推出了光相對論，可能愛因斯坦當時并不知道，廣義相對論中甚至包含到了宇宙的過去和未來，因為廣相的引力場公式是一個二階非線性偏微分方程，結(jié)果會隨著各項參數(shù)的變化而變化，同樣它的尺度可以擴展到整個宇宙，因此這是一個金礦，很多科學家都從中挖掘到了自己所需，當然我們只介紹宇宙起源相關(guān)。

弗里德曼以宇宙物質(zhì)分布均勻為前提，從引力場方程中推導出了宇宙的形狀，他發(fā)現(xiàn)在大部分情況下宇宙都是膨脹的，勒梅特以相同的假設(shè)得到了同樣的結(jié)果，他們認為宇宙是動態(tài)和膨脹的。

哈勃則觀測到了遙遠的宇宙正在加速離去從而揭示了一個事實，宇宙可能是很久以前從一個很小的區(qū)域內(nèi)膨脹而來，宇宙大爆炸說開始被天文界反復提及。

伽莫夫則為此推導出了從很小的區(qū)域內(nèi)膨脹時的原初核聚變過程，他的同事則推導出這個膨脹后形成的余暉也就是宇宙微波背景輻射。當然1964年宇宙微波背景輻射被發(fā)現(xiàn)，而隨著射電望遠鏡分辨率的提高，對原初物質(zhì)豐度的觀測證明了原初核聚變理論的正確性。

宇宙誕生于很久以前的一場大爆炸！

光是宇宙中最快的速度，為什么138.2億年的時間膨脹出了465億光年的半徑？

解決了宇宙來自于一場爆炸的問題，我們來討論下為什么宇宙為什么會超光速膨脹！狹義相對論有兩個前提，一是光速不變，二是狹義相對性原理。而光速也不可超越，這就將超光速封死了，為什么宇宙膨脹還能超過光速？因為138.2億年即使按光速膨脹也只能跑出276.4億光年，怎么可能會到465億光年呢？

其實光速不可超越指得是信息傳遞不可超過光速，即包含信息、能量與物質(zhì)，而空間膨脹并不在此限制內(nèi)，它無法傳遞任何信息，而對微波背景輻射觀測發(fā)現(xiàn)的各向同性表明宇宙在很久以前它們曾經(jīng)發(fā)生過信息傳遞，而現(xiàn)在相隔930億光年的兩個點之間不可能發(fā)生信息傳遞。

可觀測宇宙是什么意思？

上文我們說明宇宙的半徑高達465億光年，而光速都達不到這個速度，這是因為宇宙在誕生之初經(jīng)歷了一次暴脹，正是這次暴脹使得宇宙的膨脹遠超宇宙中最快的速度光速，這使得觀測到的宇宙分成了三層。

• 當前觀測到的星系距離極限

2016年3月3日哈勃望遠鏡觀測到了一個紅移高達11的星系，根據(jù)宇宙膨脹速度計算，這個星系位于宇宙誕生約四億年以后，對應(yīng)的時間與光速關(guān)系是134億光年，實際已經(jīng)位于330億光年以外。

因為經(jīng)過134億年的膨脹，它不可能在原地等著各位來圍觀！

• 可見光（微波）觀測極限

可見光的極限就比較有意思了，其實我們現(xiàn)在看到的微波背景輻射就是可見光極限，這是大爆炸產(chǎn)生的余暉，此時是宇宙誕生38萬年的時，宇宙從熾熱的物質(zhì)冷卻到可以讓原子核捕獲電子的溫度，使得宇宙從一片等離子狀態(tài)脫離成物質(zhì)，光子得以脫離束縛在宇宙中自由輻射，但宇宙的高速膨脹將這些光子的頻率從高頻位移到了低頻，相當于黑體在3K時候發(fā)出的輻射頻率接近。在微波背景輻射之前，我們將觀測不到任何光子！

不過在微波背景輻之后還有一個黑暗時代，因為此時尚未誕生恒星，宇宙中一片黑暗，之后才是恒星時代和星系時代，而現(xiàn)代可見光觀測極限的GN-Z11就是第一批星系時代，微波背景輻射就是可見光觀測極限。

• 可觀測極限

可觀測的極限是現(xiàn)代人類的技術(shù)能觸碰到的最久遠距離，可見光只能到達微波背景輻射，但還有中微子觀測，可以直達大爆炸以后1秒，此時中微子脫耦，因此中微子觀測大有前途！

但引力波觀測更有前途，因為從第一個普朗克時間一過，引力就被釋放出來了，理論上看引力波探測可以直達大爆炸的第一刻，但我們要了解下的是這個波長可能是極其恐怖的，比如：

一顆超新星爆炸產(chǎn)生的引力波一般為300公里

黑洞構(gòu)成的雙星系統(tǒng)產(chǎn)生的引力波為30萬公里

宇宙大爆炸產(chǎn)生引力波波長可達30億光年

如何觀測波長長達30億光年的引力波？2015年底觀測到的雙黑洞引力波，產(chǎn)生的波長比較短，因此LIGO才能探測到這個遙遠黑洞合并產(chǎn)生的引力波，而黑洞構(gòu)成的引力波波長高達30萬千米，這個探測天線的規(guī)模就是天文級別的規(guī)模了，而宇宙大爆炸的引力波，也許要銀河系級別的引力波干涉天線來探測，想想就好了，但至少在理論上還是有希望的哈！